HARMONICZNE PRĄDU: DEFINICJA – PROBLEMATYKA – ROZWIĄZANIA

Bez wątpliwości harmoniczne napięcia lub natężenia prądu stały się obecnie parametrem, nad którym nadzór jest konieczny. Jest to niezbędne zwłaszcza, aby zapobiec pojawianiu się problemów, które, jak później wyjaśnimy, są powiązane z harmonicznymi obencnymi w sieci elektrycznej.

Zarządzanie harmonicznymi oraz ich kontrolowanie to podstawowe czynności zapobiegające powstawaniu problemów w sieci elektrycznej.

Co to są składowe harmoniczne?

Na początek należy podać definicję tego terminu.

W tym celu przenieśmy się do początku XIX wieku, kiedy to matematyk Jean Baptiste Fourier stwierdził, że drgania okresowe o dowolnym kształcie można przedstawić jako sumę drgań harmonicznych o różnych częstotliwościach i amplitudach.

Spójrzmy na przykład, który pozwoli nam lepiej zrozumieć tę koncepcję:

Załóżmy, że fala widoczna na Rys. 1 odpowiada „cyklowi” natężenia prądu w sieci 50 Hz. Oznacza to, że powtarza się 50 razy w ciągu jednej sekundy i ma czas trwania wynoszący 20 milisekund. W przypadku sieci 60 Hz czas trwania wynosił by 15,6 milisekund. Tę falę nazwiemy składową podstawową.

Nakłada się na nią inna mniejsza fala, o częstotliwości 250 Hz. Jest to częstotliwość 5 razy większa. Ta fala, na Rys. 2, odpowiada składowej harmonicznej 5. Wynikowa fala znajduje się na Rys. 3.

Na te dwie fale nakłada się kolejna, o częstotliwości 350 Hz, tj. 7 razy większej niż podstawowa, odpowiadająca składowej harmonicznej 7, która widnieje na Rys. 4. Wynikowa fala jest widoczna na Rys. 5. W sposób nieformalny możemy powiedzieć, że ma kształt jak „M z McDonalda”.

Tę falę powinniśmy zmierzyć w zwykły sposób, tj. np. na wejściu większości trójfazowych napędów o zmiennej prędkości obrotowej. Są to odbiorniki niezbędne w instalacjach przemysłowych.

Falę prądu wytworzoną przez napęd o zmiennej prędkości można uprościć, w sposób przybliżony, do składowej podstawowej 50 czy 60 Hz oraz składowych harmonicznych 5 i 7.

Dlatego też należy rozdzielić odbiorniki elektryczne między te pobierające prąd składowej podstawowej, które nazywamy odbiornikami liniowymi, jak np. silniki indukcyjne czy odbiory czysto rezystancyjne; oraz odbiorniki pobierające prąd składowej podstawowej wraz z innymi składowymi harmonicznymi, które nazywamy odbiornikami nieliniowymi. Wśród nich znajdują się napędy o zmiennej prędkości czy częstotliwości, jednofazowe urządzenia elektryczne czy lampy LED. Podsumowując, są to wszystkie te odbiorniki, które na którymś etapie swojego działania przekształcają prąd zmienny na prąd stały.

Aby przeanalizować zawartość harmonicznych prądu, należy wykorzystać spektrum prądu, tj. widmo przebiegu jego częstotliwości. Lub też inaczej wielkość lub rząd poszczególnych składowych harmonicznych. Rys. 6

W przypadku sieci, gdzie dominują odbiorniki trójfazowe, najważniejsze są składowe 5, 7, 11 i 13 (ich ważność spada zgodnie z podaną kolejnością rosnącą). W przypadku sieci 4-żyłowych, gdzie występują odbiorniki jednofazowe zasilane przewodem liniowym i neutralnym, występują również harmoniczne 3, 9 i 15, a składowa 3 jest najważniejsza.

Współczynniki, które są używane w celu oceny zawartości harmonicznych to współczynniki zniekształceń harmonicznych, total harmonic distortion po angielsku, THD(U) dla napięcia i THD(I) dla natężenia, które reprezentują stosunek wyższych harmonicznych sygnału napięcia lub natężenia prądu, obliczany na podstawie wartości RMS lub sumy kwadratów poszczególnych częstotliwości do wartości skutecznej składowej podstawowej. Te współczynniki pozwalają określić poziom zniekształceń harmonicznych w sieci oraz stwierdzić, czy jest konieczne zastosowanie środków naprawczych.

Ważną kwestią, którą należą rozważyć są odbiorniki nieliniowe, które generują harmoniczne prądu, oraz fakt, że te prądy harmoniczne płynące kablami sieciowymi powodują spadki napięcia różnych częstotliwości harmonicznych. Przyczynia się do pojawienia harmonicznych odkształceń napięcia, zwiększając wartość THD (U). Dlatego też wartość współczynników THD (I) i THD (U) należy zawsze analizować wspólnie podczas rozważania konieczności zastosowania systemu kompensacji harmonicznych w sieci.

Inną ważną cechą szczególną harmonicznych jest fakt, że wykazują różne sekwencje fazy. Mogą być bezpośrednie, odwrotne lub homopolarne, znane również pod nazwą zerowej sekwencji.

Przyczyna problemów w sieciach elektrycznych

Te ostatnie odpowiadają potrójnym harmonicznym, tj. tym, których obecność powoduje największe zakłócenia w sieciach elektrycznych, ponieważ sumują się one między sobą. Tak więc w sieciach 4-żyłowych, z 3 fazami i przewodem neutralnym, o znacznej liczbie elektronicznych odbiorników jednofazowych (komputery i podobne odbiorniki), nie kompensują się one wzajmenie, lecz sumują między sobą w przewodzie neutralnym.

Dlatego też w sieci o 50 A prądu harmonicznego rzędu 3 na każdą fazę, przewód neutralny będzie wykazywać natężenie 150 A prądu dla harmonicznej 3.

Niesie to ze sobą ryzyko przeciążenia tego przewodu neutralnego, co powoduje zarówno aktywację wyłączników termicznych, jak i odłączników przewodu neutralnego. Mogłoby to doprowadzić do sytuacji, w której nierównomierne napięcie zasilania odbiorników spowodowałoby poważne uszkodzenia urządzeń z powodu nadmiernego napięcia.

Problemy również pojawiają się często na poziomie transformatorów mocy zasilających instalację. Jeśli dostarczają one, oprócz prądu składowej podstawowej powiązanej z aktywną mocą, nieproduktywne (tzn. nieprzydatne) harmoniczne, straty energii mogą być tak znaczne, że spowodują spadek jakości dostarczanego napięcia, o wysokiej zawartości THD(U). Wpłynęłoby to na funkcjonowanie zasilanych odbiorników. W ekstremalnych przypadkach mogłoby doprowadzić do nadmiernego wzrostu temperatury transformatora, co mogłoby prowadzić do jego uszkodzenia.

Inna ważna kwestia to wpływ obecności harmonicznych na wyłączniki różnicowe przeciwko przeciw przepięciom. Jest konieczne używanie odpowiednich wyłączników różnicowych w celu zapewnienia odpowiedniego poziomu ochrony sieci. W tym sensie jest konieczne wykorzystanie wyłączników różnicowych typu B dla takich odbiorników, które dokonują konwersji AC na DC podczas pracy (np. napędy o zmiennej prędkości, SAI, prostowniki czy ładowarki pojazdów elektrycznych).

Obecność wysokich poziomów odkształceń harmonicznych napięcia sieci można powiązać z problemami występującymi u „delikatnych” urządzeń elektronicznych. W tym przypadku słaba jakość napięcia zasilania może spowodować ich nieprawidłową pracę w tym „resety”, zakłócenia, błędy obliczeń, itd.

Na koniec najczęstszym i najbardziej popularnym problemem jest problematyka związana z instalacją baterii kondensatorów w celu kompensacji indukcyjnej mocy biernej i istnieniem harmonicznych prądu w sieci.

Wyjaśnienie przypadku

Spójrzmy najpierw jak wygląda krzywa impedancji kondensatora, której możemy nadać miano „rezystencji”. Tak jak można zauważyć na Rys. 8, im wyższa częstotliwość, tym mniejsza impedancja. Jak już wiemy, składowe harmoniczne mają wyższą częstotliwość niż składowa podstawowa. Dlatego też kondensator wykazuje większą rezystencję na te częstotliwości harmoniczne. Staje się w konsekwencji kompensacją dla niskiej impedancji dla takich prądów. Innymi słowy absorbuje je, więc w sieciach o wysokiej obecności harmonicznych kondensatory poddawane są sporemu obciążeniu. Powoduje to szybkie zużycie kondensatorów.

Niemniej jednak przeciążenia nie stanowią największego problemu w takich sieciach. Jest nim fakt możliwości pojawienia się zjawiska rezonansu, w wyniku którego zwiększają się zniekształcenia harmoniczne prądu przed podłączeniem do baterii kondensatorów.

W takim wypadku należy również wziąć pod uwagę parametr częstotliwości rezonansowej systemu (Rys. 9), który odnosi moc zwarcia obwodu w miejscu podłączenia baterii kondensatorów do sieci do mocy w kVar samej baterii. Ta wartość wskazuje rząd harmonicznej, tj. czy jest to 5, 7 czy 11 harmoniczna, która można ulec zwiększeniu po podłączeniu kondensatorów do sieci.

Na przykładzie z Rys. 10 widać wyraźnie, że wystąpiło zjawisko rezonansu dla harmonicznej 5. Wystarczy policzyć szczyty, które są widoczne na wykresie cyklu.

Procedura, którą należy zastosować, aby zapobiec temu zjawisku, opiera się na instalacji baterii kondensatorów wyposażonych w filtry tłumiące. Te baterie obejmują szeregowo dla każdego kondensatora lub grupy kondensatorów na danym poziomie element zapewniający reaktancję, który na Rys. 11 został oznaczony kolorem żółtym. W ten sposób następuję syntonizacja grupy reaktancja-kondensator na częstotliwości poniżej pierwszej istotnej składowej harmonicznej w sieci.

Rys. 11, Baterii kondensatorów wyposażonych w filtry tłumiące

Tak jak już wspomnieliśmy pierwsza istotna harmoniczna w sieci to w większości przypadku 3. lub 5. harmoniczna. Najczęstsze częstotliwości rezonansowe zostały wymienione na Rys. 12 (wskazano wartości dla częstotliwości 50 Hz / 60 Hz).

Rys. 12

Systemy, które gwarantują kompensację 100% mocy biernej i są odporne na obecność harmonicznych w sieci, to generatory statyczne mocy biernej, a zwłaszcza gama SVGm firmy CIRCUTOR (Rys. 13. Te generatory mocy biernej, zdolne do kompensacji mocy indukcyjnej i pojemnościowej, to produkty energoelektroniczne stanowiące najbardziej zaawansowane rozwiązanie technologiczne, jeśli chodzi o korekcję współczynnika mocy.

Istnieją opcje filtrowania biernego prądów harmonicznych. Najprostsze z nich to reaktory liniowe lub dławiki. 14. Instaluje się je na wejściu napędów o zmiennej prędkości lub podobnych odbiorników w celu zmniejszenia poziomu THD(I). Zwykle jest możliwa redukcja wartości początkowej wynoszącej ok. 40% do 25%.

W każdym przypadku najwydajniejszym rozwiązaniem w celu zmniejszenia obecności harmonicznych prądu i tym samtm harmonicznych napięć w sieci elektrycznej są filtry aktywne harmonicznych. Przykładami takich urządzeń jest gama AFQm CIRCUTOR.

Aktywny Filtr AFQm jest generatorem harmonicznych prądu, który poprzez wykorzystanie zaawansowanych systemów elektronicznych mocy i kontroli może emitować harmoniczne prądu w przeciwfazie dla wyższych harmonicznych obecnych w sieci, co powoduje ich kompensację.

Wśród wielu korzyści tego systemu w porównaniu z systemami filtracji pasywnej można wyróżnić jego precyzję. Tego  typu filtr jest w stanie wyemitować harmoniczne prądu o dokładnej częstotliwości w celu kompensacji tych harmonicznych, które są obecne w sieci, i nie zależy od zachowania odbiornika.

Należy również wyróżnić wszechstronność tego urządzenia, które jest zdolne nie tylko do filtrowania harmonicznych prądu, lecz również do kompensacji mocy biernej.

Gama filtrów aktywnych AFQm obejmuje szeroki zakres filtrów o różnej zdolności emisji prądu w zależności od potrzeb danej instalacji elektrycznej, zarówno w sektorze przemysłowym, jak i sektorze usług. Wszystko to dzięki swojej modularności. Napięcie robocze obejmuje zakres od 208 VCA do 690 VCA.

2 Rozwiązania: Typ naścienny i typ szafka

Dla sieci 50/60 Hz ±5

• 4 przewody 3P+N: 208 - 400 V - 525 V faza-faza
• 3 przewody 3P: 230 - 480 V - 690 V faza-faza

Dodatkowe informacje →

Jakość konsumpcji i zaopatrzenia→

Oszczędność energii→